江蘇鎮(zhèn)江城市三維地質結構模型的建立及其地質意義

苗巧銀，朱志國，高 立，楊其菠

（1. 江蘇省地質調(diào)查研究院，江蘇·南京 210018；2. 國土資源部地裂縫地質災害重點實驗室，江蘇·南京 210049；3. 江蘇潤環(huán)環(huán)境科技有限公司，江蘇·南京 210009；4. 武漢中地數(shù)碼科技有限公司，湖北·武漢 430074）

江蘇鎮(zhèn)江城市三維地質結構模型的建立及其地質意義

苗巧銀1，2，朱志國3，高 立1，2，楊其菠4

（1. 江蘇省地質調(diào)查研究院，江蘇·南京 210018；2. 國土資源部地裂縫地質災害重點實驗室，江蘇·南京 210049；3. 江蘇潤環(huán)環(huán)境科技有限公司，江蘇·南京 210009；4. 武漢中地數(shù)碼科技有限公司，湖北·武漢 430074）

隨著鎮(zhèn)江城市建設發(fā)展對地下空間的開發(fā)和利用，以及對城市地質環(huán)境及其地殼穩(wěn)定性的需求，城市地質調(diào)查興起。本文根據(jù)城市地質調(diào)查成果，即第四系松散沉積層各時代巖相分區(qū)、鉆孔分層信息等資料，首次采用分區(qū)建模方法，構建了第四紀三維地質結構模型；根據(jù)基巖巖相分布、主干隱伏斷裂，構建了基巖三維地質結構模型。三維地質結構模型揭示了地層的沉積歷史，展示了地層的縱橫向分布、沉積環(huán)境在三維空間的相變關系、以及斷裂對地殼穩(wěn)定性的影響，可為城市建設提供重要支持。

城市地質；三維地質結構；巖相分區(qū)；分區(qū)建模；第四紀模型；基巖模型

我國近20多年來，許多城市開展了各種地質工作，獲得了大量資料。城市地質是一門應用性的地質學科，城市地質空間的開發(fā)和利用是進行城市地質調(diào)查的主要目的和任務，所以城市地質信息作為城市規(guī)劃的基礎資料，是決定城市用地選擇、城市功能組織和城市規(guī)劃布局的關鍵。

由于鎮(zhèn)江地震活動多發(fā)，隨著城市建設發(fā)展對城市環(huán)境及其地殼穩(wěn)定性的需求，急需開展地下空間和土地規(guī)劃，因此構建城市三維空間地質結構模型成為急需解決的問題。由于鎮(zhèn)江特殊的地質情況，本文采用獨特的分區(qū)建模方法，建立第四紀模型和基巖模型，為城市建設提供技術支持。

1　區(qū)域地質背景

鎮(zhèn)江城市規(guī)劃區(qū)位于江蘇省西南部，屬寧鎮(zhèn)山脈東段向東延伸的一部分，地處長江三角洲沖積平原；東部緊鄰長江，以西為鎮(zhèn)江新區(qū)、丁崗鎮(zhèn)和諫壁鎮(zhèn)等，均屬于崗地和低山丘陵區(qū)；整個研究區(qū)屬揚子地層區(qū)下?lián)P子地層分區(qū)鎮(zhèn)江地層小區(qū)，發(fā)育從前震旦系到第四系地層。地表所見地層主要為橫山一帶的泥盆紀觀山組；五峰山—圌山山體中部的早白堊世上黨組上部流紋質火山巖及火山碎屑巖；五峰山及圌山主峰區(qū)的早白堊世圌山組圌山火山角礫巖、石英粗面巖、角礫凝灰?guī)r等；在平原區(qū)及低山丘陵部分分布有大面積的第四系，第四系之下為白堊系 山組和上黨組。

研究區(qū)地勢南高北低，北部和東部屬長江三角洲頂端新長江三角洲平原，中部十里長山低山與丘陵，南部屬崗地地貌。主要地貌形態(tài)有低山、丘陵、殘丘、崗地、階地和平原。依據(jù)其組成物、地表形態(tài)、成因等特征，將鎮(zhèn)江城市規(guī)劃區(qū)分為：低山丘陵區(qū)、崗地、新長江三角洲沖積平原等沉積結構區(qū)（圖1）。

圖1　鎮(zhèn)江城市規(guī)劃區(qū)地貌分區(qū)Fig.1　The geomorphology zoning of Zhenjiang urban planning area

1.1低山丘陵區(qū)（Ⅰ）

主要位于鎮(zhèn)江城市規(guī)劃區(qū)長江南岸，基本沿長江岸線發(fā)育，占工作區(qū)面積的1/3左右，主要由高低不平的山體、殘丘、孤峰等組成。低山絕對高度一般超過200m，最高峰十里長山達349.7m；殘丘的絕對高度一般介于100～200m之間。新構造運動以上升為主，地貌類型以構造剝蝕和剝蝕堆積為主。

1.2崗地（Ⅱ）

該區(qū)主要包括工作區(qū)低山丘陵區(qū)南側的廣泛山丘區(qū)，占工作區(qū)面積1/3多，是山前沖坡積扇受地殼抬升和地表水侵蝕切割作用的產(chǎn)物，多呈隴崗狀或掌狀分布，坳溝與隴崗呈長條狀相間起伏，崗地表面起伏不平，坡度較緩，一般為5?～8?，陡者10?左右，頂部平滑，溝谷平緩，崗地兩側多為沖積洼地或沖溝地貌景觀。

1.3新長江三角洲沖積平原區(qū)（Ⅲ）

（1）沿江沖積平原區(qū)（Ⅲ1）

主要包括規(guī)劃區(qū)東端大路—姚橋及江北高橋沖積平原，占規(guī)劃區(qū)面積10-15%左右，新構造運動表現(xiàn)為相對下降，第四紀早期河流侵蝕作用強烈，第四紀中晚期則以堆積地貌為特征，第四系松散沉積物厚度在鎮(zhèn)江城市規(guī)劃區(qū)范圍下段較大，最厚可達100余米，地表低平，水系發(fā)育，地貌形成時代以全新世晚期為主。

（2）江心洲平原區(qū)（Ⅲ2）

主要位于長江之中，包括世業(yè)洲、和暢洲，以長江的心灘相沉積為主體，是一片地勢平坦的平原地形，地貌類型以堆積為主，第四系松散沉積物厚度較大，最厚可達100余米，平均70～110m，地勢平坦，一般絕對標高2～3m，相對高度1m左右。

2　模型建立的方法

2.1建模思路

第四系地層序列以及地層單位的側向延伸是三維地質結構建立的基礎和依據(jù)。第四系地層層序主要通過對第四系基準孔以及聯(lián)孔剖面實現(xiàn)（圖2）。地層成因類型、巖相古地理、古氣候演化等，地層自下而上、由老至新按照時代先后在縱橫向上把地質空間的沉積結構（比如：河流相、湖相、山麓相等）在平面圖上展現(xiàn)出來；其中基準孔對第四系地層的劃分采用多重地層劃分方法，根據(jù)沉積物的顏色、巖性、巖相特征，結合古生物、粒度、測井、孢粉、古地磁、測年等測試資料，與地球物理勘探資料相結合，確定地層的沉積序列及沉積環(huán)境；在區(qū)域面上根據(jù)一系列的鉆孔做連孔剖面（不同方向的主干剖面、輔助剖面（剖面可相交）），同時結合地球物理勘探資料（有利于判斷空間上巖相的延展），根據(jù)連孔剖面可以直觀看出整個地下空間地層的縱、橫向的沉積順序和橫向上的地層展布，以及縱向沉積環(huán)境的變化和橫向沉積環(huán)境的展布及變化。地震剖面是調(diào)查第四紀地層結構及空間變化規(guī)律的有效方法。因此，在淺部第四系結構變化復雜、利用鉆孔難以詳細判別，布設人工地震勘探剖面。

圖2　第四系鉆孔分布Fig.2　The distribution of borehole

鎮(zhèn)江具有獨特的第四紀地層沉積特征，崗地區(qū)基巖之上松散層為下蜀組老黃土沉積，老黃土主要是一套亞黏土、黏土，塑性好，黏性強，見鐵錳結核，干燥后較堅硬；沿江沖積平原及江心洲則是一套松散的灰、灰黃色粉砂、含黏土粉砂、含粉砂黏土和中細砂，底部往往見砂礫層，發(fā)育水平層理，交錯層理等，干燥后松散。所以鑒于兩套完全不同的沉積體系，且具有較好的沉積界限，鎮(zhèn)江采用了分區(qū)建模的方法，根據(jù)鉆孔沉積特征以及連孔剖面展布特征、結合地貌分區(qū)圖，繪制了中更新世、晚更新世早期、晚更新世晚期以及全新世四個時期巖相古地理圖，模型的建立則是依據(jù)這四個時期巖相古地理各沉積相區(qū)界限建立模型平面分區(qū)控制，縱向則是根據(jù)鉆孔模型控制厚度及深度。因此這種分區(qū)建模的方法建立的模型對鎮(zhèn)江地區(qū)具有針對性，使模型應用起來較為精確；以上建模數(shù)據(jù)均附有屬性并導入由武漢中地數(shù)碼所提供的MapgisK9平臺。

基巖模型主要是根據(jù)基巖起伏面以及基巖地質圖而建立。本區(qū)的第四系與基巖面分界標志明顯，結合原有大部分基巖鉆孔以及本次施工鉆孔所揭示的第四系底界深度，繪制基巖埋深等值線，根據(jù)本次施工鉆孔所揭示基巖名稱和時代對基巖地質圖進行修編，將該區(qū)有可能再次活動的較深大斷裂選出附屬性并在修編過的基巖地質圖上標注；將基巖地質圖、斷裂、基巖起伏等值線導入MapgisK9平臺建立模型，因此基巖模型一定程度上反映了地殼穩(wěn)定性，便于城市規(guī)劃。

2.2建模流程

建模流程參見圖3～圖5。

圖3　數(shù)據(jù)流程圖Fig.3　data flow chart

圖4　第四系模型流程Fig.4　Quaternary model flow chart

圖5　基巖模型流程Fig.5　The flow chart of bedrock model

逐層構建，較原自動建模算法相比，不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余現(xiàn)象，可支持大量數(shù)據(jù)的自動建模，可以生成高精度模型。

河流模型構建：將長江作為標準地層中的最上面一層，根據(jù)長江的分布范圍，以鎮(zhèn)江地區(qū)長江平均水深作為建模深度，構建長江的底界面。

出露地層構建：根據(jù)地貌分區(qū)，在每個地貌單元內(nèi)，找出其中的地形數(shù)據(jù)和鉆孔頂界點數(shù)據(jù)，構建出露地層子面。所有子面模型構建后，記錄子面的上下地層屬性，為后面構體做準備。

剝離地層的確定方法：根據(jù)標準地層表的標準層序和當前建模的級別，自上而下，依次進行。河流地層為第一個需要剝離的地層。

地層底板面構建：如果地層是河流地層（將河流作為一類特殊的地層），則根據(jù)河流的頂面和河床深度自動模擬出其底面模型。如果是普通地層，則根據(jù)地層的頂面（巖相古地理圖）和鉆孔深度，向下延伸構建地層的底面切割下一個時期的巖相古地理圖之后形成的面。

地層側面構建：如果地層到達了建模邊界，需要構建側面模型。構建方法是將頂?shù)酌嫔舷陆拼怪边B接。

斷層面構建：根據(jù)斷層產(chǎn)狀，由斷層線向著斷層傾向方向延伸自動構建成面。

基巖面各區(qū)構建：結合地層產(chǎn)狀，各地層分區(qū)向地層傾向延伸自動構建成面；而對于侵入巖則是近乎垂直下延構成面。

3　模型展示及其地質意義

3.1模型展示

第四系結構模型（如圖6～圖9所示）能直觀展現(xiàn)地層在三維空間的沉積序列，即共發(fā)育了幾套地層，地層的先后順序等縱向的分布特征；橫向上展示了各地層的平面分布特征，即缺失、尖滅、延伸等；宏觀上揭示地層的縱橫向分布，巖性和沉積環(huán)境在三維空間的相變關系，間接反映沉積環(huán)境和沉積速率等。

基巖模型如圖10～圖12所示。

表1表2為基巖模型和第四紀模型的時代和巖性等說明。

圖6　第四系原型模型Fig.6　Quaternary prototype model

圖7　第四系爆炸模型Fig.7　Quaternary explosion model

圖8　剖面線切割模型Fig.8　The section line cutting model

圖9　第四系結構模型切割（多條剖面相交切割模型）Fig.9　Quaternary structure cutting model （multi section cross cutting model）

圖10　基巖模型Fig.10　The bedrock model

圖11　基巖加斷裂模型Fig.11　The bedrock and fracture model

圖12　基巖斷裂爆炸模型Fig.12　The model of rock fracture and explosion

表1　鎮(zhèn)江城市規(guī)劃區(qū)前第四紀地層簡表Table 1　The before Quaternary strata in Zhenjiang urban planning area

（續(xù)表1）

表2　鎮(zhèn)江城市規(guī)劃區(qū)第四紀地層綜合特征Table 2　The comprehensive characteristics of Quaternary strata in Zhenjiang urban planning area

3.2模型建立的地質意義

為更清楚地了解地質體內(nèi)部結構，僅僅依靠二維地質剖面和地表結構模型是不夠的，有了三維模型就可以不受限制地對模型進行任意方位、多種形式的剖切形成切面。

第四系結構模型能直觀展現(xiàn)地層在三維空間的沉積序列，揭示地層的縱橫向分布、巖性和沉積環(huán)境在三維空間的相變關系。

基巖模型直觀展示了松散層之下巖石表面起伏形態(tài)和巖石地層的空間特征、巖性分布規(guī)律等。模型還同時展示了地質構造的地下空間走向和延伸，有助于輔助分析地殼穩(wěn)定性、地下水儲水構造、成礦作用等，也可用于指導城市規(guī)劃建設和布局；對于現(xiàn)在在基巖中尋找儲水層更是有指向意義。

鑒于各種巖性土體地下空間分布特征，通過三維結構模型更全面、直觀、多視角地展示，可對重大建設場地工程條件進行評價，并對有關的工程地質問題進行研究。

因而在城市規(guī)劃與建設方面，通過用戶與系統(tǒng)進行交互，足不出戶就可以掌握地下空間信息，可為工程建設、地下水尋找、城市規(guī)劃進行科學決策，節(jié)省費用，具有很強的社會、經(jīng)濟效益；可以較好地服務于地方經(jīng)濟，意義重大。

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Establishment of a three-dimensional geological structure model, and its significance for Zhenjiang city in Jiangsu

MIAO Qiao-Yin1,2, ZHU Zhi-Guo3, GAO Li1,2, YANG Qi-Bo4
（1. Geological Survey of Jiangsu Province， Jiangsu Nanjing 210018， China；
2. Key Laboratory of Earth Fissures Geological Disaster， Ministry of Land and Resources of China， Jiangsu Nanjing 210046， China；
3. Jiangsu Rainfine Environmental Science and Technology Co. Ltd.， Jiangsu Nanjing 210009， China；
4. Wuhan Zondy Cyber Science and Technology Co. Ltd.， Hubei Wuhan 430074， China）

With the development and utilization of underground space in urban construction in Zhenjiang， the demand for information on the urban geological environment and the stability of the earth's crust has led to a rise in urban geological surveys. Urban geological survey results show that loose Quaternary sediment layers are present in each lithofacies zone，which can lead to delamination during drilling.Based on these findings， we use a partition modeling method in this work to construct a three-dimensional geological model of the Quaternary geology for the first time. According to the distribution of rock facies and the concealed fault， we have built a three-dimensional structural model of the geology. The model shows the vertical and horizontal distribution of the strata， the relationships between the phase transformations in the three dimensional space， and the influence of the fault on the stability of the earth's crust. This modelcan not only display the sedimentary history of the formation， but can also be used as an important source of information to support construction in the city.

urban geology； three dimensional geological structure； lithofacies zoning； partition modeling； Quaternary model； bedrock model

P624

A

2095-1329（2016）03-0065-06

10.3969/j.issn.2095-1329.2016.03.015

2016-06-15

2016-08-29

苗巧銀（1980-），女，碩士，工程師，主要從事沉積學與層序地層學研究.

電子郵箱: 178129037@qq.com

聯(lián)系電話: 025-84368739

中國地質調(diào)查局地質調(diào)查項目“長江

三角洲重點地區(qū)三維地質調(diào)查”（1212011220252）